JP6575394B2 - 鉄心接合部の磁気特性の評価装置および評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄心接合部の磁気特性の評価装置および評価方法に関する。

変圧器の鉄心ではエネルギー損失、すなわち鉄損が発生するため、その低減が求められており、様々な技術開発が行われてきている。鉄損は、鉄心に用いる電磁鋼板全体で発生するが、例えば特許文献１に開示されるように、鉄心の接合部（電磁鋼板の接合部）で発生する鉄損も問題になる。

鉄心の接合部は、鉄心を構成する電磁鋼板が不連続となる部分であり、磁束の流れの乱れが発生するため、鉄心の他の部分よりも高鉄損となる。この鉄損を低減するため、特許文献１〜３では、鉄心の接合部を特定の構造とする技術が提案されている。

また、接合部では電磁鋼板の間にギャップを形成することができるため、ギャップを用いて鉄心の磁気抵抗を増加させて調整することができる。この方法は、変圧器の起動時に大電流が流入する現象、すなわち励磁突入電流の抑制に利用することができる。実際に特許文献４では、接合部で組み合わされる電磁鋼板の間に非磁性のシートを挿入する方法が提案されている。

特開昭６０−１５８６０９号公報 特開平６−３４９６４３号公報 特開平６−５４５１号公報 特開２０１０−２８７７５６号公報

特許文献１〜４により開示された方法を実用化するためには、鉄心の接合部での電磁鋼板の突き合わせの位置やギャップ長さなどの各パラメータを変化させ、鉄損、励磁電流、皮相電力などの磁気特性の変化を確認することにより各パラメータを最適に設定する必要がある。

しかし、電磁鋼板をはじめとする磁性材料の磁化特性および鉄損特性は、非線形であってさらに磁化方向によっても変化する。さらに、接合部では、特許文献３の図３に示されるように、磁束の流れが複雑になり、各局部の磁化の強さや方向が様々となるため、磁化特性および鉄損特性の複雑性も相まって、接合部の磁気特性の計算や推定は容易ではない。

このため、接合部での各パラメータを最適に決定するために実験を行うこととなる。特許文献１〜４では、額縁鉄心を実際に作製して磁気特性を検討している。

しかし、この実験を行う方法には効率性の問題がある。変圧器やリアクトルの鉄心を製作するには、電磁鋼板を一定量準備し、それを所定のサイズで数百枚以上切断し、それらを所定の位置に積み上げる必要がある。そして、接合部での電磁鋼板の突き合わせの位置やギャップ長さなどの各パラメータを変化させた鉄心を相当数製作する必要があり、接合部の各パラメータの最適条件を得られるまでには、かなりのコスト、工数さらには時間を要する。

このため、接合部１箇所をモデル化して比較的薄い積層厚とし、変圧器やリアクトルの鉄心とは異なる、実験的で簡易な磁気回路を構成して磁気特性を評価することも考えられる。

しかし、この方法では、変圧器やリアクトルの鉄心のような均一な磁気抵抗の閉磁気回路を構成することが難しいと考えられ、積層方向での磁束密度分布の均一性が失われ、磁束密度条件が実際の鉄心とは異なることが懸念される。

本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、変圧器やリアクトルの鉄心に形成される接合部の鉄損、励磁電流、皮相電力などの磁気特性を簡易的に精度良く評価できる評価装置および評価方法を提供することを目的とし、特に、簡易な構造とするために積層方向の磁束密度分布の均一性が失われて評価精度が低下することを防止するため、積層の１層毎の磁気回路で磁気抵抗を均一化する装置と、さらに１層毎の磁束密度を調整できる装置および方法を提供することを目的とする。

本発明は以下に列記の通りである。

（１）それぞれの端面が突き合わされて一の方向に延在する２枚の電磁鋼板からなる電磁鋼板対が前記２枚の電磁鋼板の板厚方向に複数積層された電磁鋼板積層体の鉄心接合部の磁気特性の評価装置であって、
前記電磁鋼板積層体は、前記複数の電磁鋼板対それぞれの前記一の方向への全長が前記電磁鋼板対の積層方向の一方から他方へ向けて段階的に相違することによって前記一の方向の両端側に形成される２つの段差部を有するとともに、
前記鉄心接合部は、前記複数の電磁鋼板対それぞれにおける、前記一の方向についての前記２枚の電磁鋼板の突き合わせの位置が前記積層方向の一方から他方へ向けて、例えば段階的に順次、相違することによって形成され、
前記電磁鋼板積層体の前記鉄心接合部に巻き回されて配置される励磁コイルおよびＢコイルと、
前記電磁鋼板積層体の前記段差部を構成する複数の前記電磁鋼板対にそれぞれ接触することにより該複数の前記電磁鋼板対それぞれとともに閉磁気回路を構成する複数のヨークと
を備える、鉄心接合部の磁気特性の評価装置。

（２）前記段差部の各段それぞれの前記電磁鋼板対に巻き回されて装着された複数のサーチコイルと、前記複数のヨークそれぞれに巻き回されて装着された複数の励磁コイルおよびＢコイルとを備える、１項に記載された鉄心接合部の磁気特性の評価装置。

（３）２項に記載された評価装置を用いて前記電磁鋼板積層体の鉄心接合部の磁気特性を評価する方法であって、
隣り合う２つの前記サーチコイルの間の電圧の差分から１層の電圧波形を求め、該電圧波形と目標電圧波形との差分に比例する電圧を、前記ヨークに巻き回した前記励磁コイルに与え、積層された各電磁鋼板対それぞれの磁束密度を目標波形に合致させる、鉄心接合部の磁気特性の評価方法。

（４）前記電磁鋼板積層体に巻き回されて装着された前記励磁コイルの電流と前記Ｂコイルの電圧、および前記ヨークに巻き回された前記励磁コイルの電流と前記Ｂコイルの電圧を用いて、前記電磁鋼板積層体の磁気特性を求める、３項に記載された鉄心接合部の磁気特性の評価方法。

本発明によれば、変圧器やリアクトルの鉄心の接合部の鉄損、励磁電流、皮相電力などの磁気特性を、少量の電磁鋼板を単純に構成するだけで簡易的に精度良く評価することができる。本発明によれば、特に、簡易的な装置であるために評価装置の構造が鉄心接合部を形成させた電磁鋼板の各層の磁束密度に影響を及ぼしてしまい、変圧器やリアクトルの鉄心の磁束密度分布と差異が生じることを、各層の磁気回路の磁気抵抗の差異を減少させ、さらに各層の磁束密度を個別に制御することによって防止できる。

図１は、本発明に係る評価装置の概要を示す説明図である。 図２は、本発明に係る評価装置の一部分の断面を示す説明図である。 図３は、実施例で用いる回路図である。 図４は、実施例の効果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。まず、積層された電磁鋼板積層体の各層の磁気回路の磁気抵抗の差異を減少させる装置を説明する。

図１は、本発明に係る評価装置１の概要を示す説明図であり、図２は、本発明に係る評価装置１の一部分の断面を示す説明図である。

図１，２に示すように、評価装置１は、電磁鋼板積層体２の鉄心接合部２ｄの磁気特性の評価装置である。電磁鋼板積層体２は、それぞれの端面が突き合わされて一の方向（図１，２における左右方向）に延在する２枚の電磁鋼板２ａ，２ｂからなる電磁鋼板対２ｃがこれら２枚の電磁鋼板２ａ，２ｂの板厚方向へ向けて複数枚（図示例では５枚）積層されることにより、構成される。

鉄心接合部２ｄは、実際の変圧器やリアクトルの鉄心接合部を模擬するものであり、積層された５枚の電磁鋼板対２ｃそれぞれにおける、上記一の方向についての２枚の電磁鋼板２ａ，２ｂの突き合わせの位置が積層方向の一方から他方へ向けて、例えば段階的に順次、相違することによって形成される。鉄心接合部２ｄでの電磁鋼板対２ｃの突き合わせの位置やギャップ長さなどの各パラメータを様々に変化させることにより、鉄心接合部２ｄの磁気特性が評価される。

図１に示す主コイル枠３は、主励磁コイル５と主Ｂコイル６とからなる。主励磁コイル５は、電磁鋼板積層体２の鉄心接合部２ｄに巻き回されて外側に配置され、電磁鋼板積層体２全体を励磁するために用いられる。主Ｂコイル６は、電磁鋼板積層体２の鉄心接合部２ｄに巻き回されて内側に配置される。なお、図２では、電磁鋼板積層体２および主コイル枠３を短縮して示す。

図１に示すように、磁気特性の評価試料である電磁鋼板積層体２は、主コイル枠３を貫通する状態で配置される。電磁鋼板積層体２の鉄心接合部２ｄを、主コイル枠３の長手方向の略中央部に配置することが望ましい。

図１，２に示すように、電磁鋼板積層体２は、積層された５枚の電磁鋼板対２ｃそれぞれの上記一の方向への全長が電磁鋼板対２ｃの積層方向の一方から他方へ向けて段階的に順次相違することによって一の方向の両端側に形成される２つの段差部２−１，２−２を有する。

５つのヨーク（継鉄）４は、電磁鋼板積層体２の一の方向の両側の段差部２−１，２−２を構成する５つの電磁鋼板対２ｃを跨って５つの電磁鋼板対２ｃそれぞれに接触して配置される。このように、各ヨーク４は、積層された各電磁鋼板対２ｃにそれぞれ設置される。

このように、鉄心接合部２ｄが形成された積層された電磁鋼板対２ｃでは、最下層の電磁鋼板対２ｃの全長が最も長くなっており、上層に行くに従って電磁鋼板対２ｃの全長は短くなり、最上層の電磁鋼板対２ｃの全長が最も短くなる。これによって、電磁鋼板積層体２の両端部２−１，２−２は階段状を呈する。積層された各電磁鋼板対２ｃの両端にそれぞれ１個のヨーク４を接触させる。

評価装置１では、複数（図示例では５つ）のヨーク４を重なった状態で使用するため、各ヨーク４の高さは、内側のヨーク４の外面に、このヨーク４の外側に配置される別のヨーク４の内面が接触しない高さとする必要があるが、一方、これら２個のヨーク４の間隔は、各ヨーク４，４の磁気抵抗の差、すなわちヨーク４，４の大きさの差を少なくするために極力小さくすることが望ましい。

以上のように、評価装置１によれば、電磁鋼板積層体２およびヨーク４を用いるため、電磁鋼板積層体２の５つの電磁鋼板対２ｃが構成する５つの磁気回路をほぼ同じとすることができ、これにより、磁気抵抗の各電磁鋼板対２ｃ間の差を減少させることができ、励磁条件の各電磁鋼板対２ｃ間の差を減少させることができる。

次に、本発明における電磁鋼板積層体２の各電磁鋼板対２の磁束密度を個別に制御する装置および方法を説明する。

評価装置１は、段差部２−１，２−２の各段それぞれの電磁鋼板対２ｃに巻き回されて装着された５つのサーチコイル７と、５つのヨーク４それぞれに巻き回されて装着された５つのヨーク励磁コイル８およびヨークＢコイル９とを備える。

ヨーク励磁コイル８およびヨークＢコイル９は、ヨーク４の全長に巻いてもよいし、一部でも、あるいは分割してもよい。図１，２では、ヨーク４の両端の電磁鋼板対２ｃに近い部分に設置される場合を示す。ヨーク励磁コイル８とヨークＢコイル９とを重ねる場合には、ヨークＢコイル９を内側（ヨーク４に接する側）に配置することが望ましい。

サーチコイル７は、積層された各電磁鋼板対２ｃの磁束密度を得るために用いる。サーチコイル７の設置は、各電磁鋼板対２ｃのヨーク接触部よりも主コイル枠３寄りに設置し、その部分の全ての電磁鋼板対２ｃに巻き回すことが望ましい。本来は、各電磁鋼板対２ｃに個別にサーチコイル７を巻くべきであるが、積層された各電磁鋼板対２ｃの間に隙間が生じる不具合が発生するため、望ましくない。

サーチコイル７は、電磁鋼板積層体２の一の方向への一端側のみに設置してもよいが、両端側に設置してもよい。両端側にサーチコイル７を設置する場合には、同一層にある電磁鋼板対２ｃの両側のサーチコイル７を直列に接続する。

磁束密度は、サーチコイル７の電圧波形から電磁誘導の法則によって算出することができる。したがって、各電磁鋼板対２ｃの磁束密度を個別に制御するのは、各電磁鋼板対２ｃに個別に巻かれていると仮定したサーチコイルの電圧波形を求めて利用することで可能である。

次に、図２に示す複数層に巻かれたサーチコイル７の電圧波形から、各電磁鋼板対２ｃに個別に巻かれていると仮定したサーチコイルの電圧波形を求める方法を説明する。

最下層からｎ番目の層である電磁鋼板対２ｃまで巻かれたサーチコイル７の出力電圧波形をｖ（ｎ）とし、同じく最下層から（ｎ＋１）番目の層である電磁鋼板対２ｃまで巻かれたサーチコイル７の出力電圧波形をｖ（ｎ＋１）とする。この時の（ｎ＋１）番目の電磁鋼板対２ｃのみに巻かれると仮定したサーチコイルの出力電圧波形ｖｓ（ｎ＋１）は、各サーチコイル７の巻き数は同じとすると、下記（１）式により求められる。
ｖｓ（ｎ＋１）＝ｖ（ｎ＋１）−ｖ（ｎ） ・・・・・（１）

最下層から（ｎ＋１）番目の電磁鋼板対２ｃの磁束密度を制御するには、この電磁鋼板対２ｃの目標電圧波形ｖｔ（ｎ＋１）と実測から求めた電圧波形ｖｓ（ｎ＋１）との差を求め、この差分波形を、最下層から（ｎ＋１）番目の電磁鋼板対２ｃのヨーク励磁コイル８に与えて励磁する負帰還の方法を用いればよい。主励磁コイル５は、電磁鋼板積層体２の全体に励磁を与えるが、ヨーク励磁コイル８は、各電磁鋼板対２ｃの磁束密度を制御するために補助的に用いられる。

負帰還の具体的な方法としては、出力電圧波形ｖ（ｎ＋１）および出力電圧波形ｖ（ｎ）をＡ／Ｄ変換して計算機のデータとし、計算機中に記録してある目標電圧波形ｖｔ（ｎ＋１）との差を求める計算をしてヨーク励磁コイル８に与える波形を計算し、これをＤ／Ａ変換で出力して実際にヨーク励磁コイル８に与える手順が考えられる。

この手順を繰り返して最下層から（ｎ＋１）番目の電磁鋼板対２ｃの磁束密度を目標に近付けていく。この操作を各電磁鋼板対２ｃに対して順次行い、さらにそれを複数回に渡って繰り返すことにより、全ての電磁鋼板対２ｃの磁束密度を目標に近付けていくことができる。なお、別の負帰還の方法として、すべてアナログ回路を用いるものも考えられる。

以上のように、サーチコイル７とヨーク励磁コイル８を用い、負帰還の手法を用いれば、各電磁鋼板対２ｃの磁束密度を目標に合致するように制御できる。

最後に、本発明により、鉄損、励磁電流、皮相電力などの磁気特性を求める方法を説明する。

鉄損特性は、主励磁コイル５の電流と主Ｂコイル６の電圧の掛算による電力と、ヨーク励磁コイル８の電流とヨークＢコイル９の電圧の掛算による電力とを各電磁鋼板対２ｃについて求めたものの総和をとることによって、求められる。

励磁電流特性は、主励磁コイル５の電流による磁界の強さと、ヨーク励磁コイル８の電流による磁界の強さを各電磁鋼板対２ｃについて求めたものの総和をとることによって求められる。

さらに、皮相電力特性は、前記磁界の強さを主Ｂコイル６の巻き数と各磁気回路の磁路長で電流に換算したものと、主Ｂコイル６の電圧の積として求めることができる。

このように、電磁鋼板積層体２に巻き回されて装着された励磁コイル５の電流とＢコイル６の電圧、およびヨーク４に巻き回された励磁コイル８の電流とＢコイル９の電圧を用いて、試料である電磁鋼板積層体２の磁気特性を求めて評価することができる。

実施例を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。なお、以降の説明は、上述した図１，２も参照しながら行う。

図３は、本実施例で用いる回路図である。本実施例における電磁鋼板積層体２の積層数は５であり、よってヨーク４の個数も５となる。

電磁鋼板積層体２の全体を励磁するために主励磁コイル５が磁化力を発生するが、これは発振器１０で生成される電圧波形をパワーアンプ１１で電力増幅して、シャント抵抗１２を介して主励磁コイル５に電力を与えることにより、行われる。

ヨーク励磁コイル８による磁化力の発生は、コンピュータ１３が記憶している波形をＤ／Ａ変換器１４に転送して電圧波形を発生させ、これをパワーアンプ１５で電力増幅して、シャント抵抗１６を介してヨーク励磁コイル８に電力を与えることにより、行われる。Ｄ／Ａ変換器１４およびパワーアンプ１５は、ヨーク励磁コイル８の個数分、すなわち５台ずつ用いる。

主励磁コイル５やヨーク励磁コイル８の電流については、直列に接続したシャント抵抗１２，１６の電圧をＡ／Ｄ変換器１７，１８によりデジタルデータとし、コンピュータ１３に転送されて記憶される。ヨーク励磁コイル８用のシャント抵抗１６およびＡ／Ｄ変換器１８は、ヨーク励磁コイル８の個数分、すなわち５台ずつ用いる。

主Ｂコイル６とヨークＢコイル９の電圧は、Ａ／Ｄ変換器１９，２０でデジタルデータとし、コンピュータ１３に転送されて記憶される。ヨークＢコイル９用のＡ／Ｄ変換器２０は、ヨークＢコイル９の個数分、すなわち５台ずつ用いる。

電磁鋼板積層体２の各電磁鋼板対２ｃの磁束密度を制御する方法を以下に説明する。電磁鋼板対２ｃの積層順に層Ｎｏ．を付け、層の全長が長い方から１〜５とする。

まず、主励磁５コイルを用い、電磁鋼板積層体２の全体で目標とする磁束密度に近づくように発振器１０の出力を調整する。電磁鋼板積層体2の全体での磁束密度の測定には、主Ｂコイル５を用いる。

次に、層Ｎｏ．１のサーチコイル７の電圧をＡ／Ｄ変換器２１によりＡ／Ｄ変換して計算機１３で目標電圧波形と比較し、その差分波形を層Ｎｏ．１用のＤ／Ａ変換器１４に与えてヨーク励磁コイル８に加える。この工程を繰り返して層Ｎｏ．１の磁束密度を目標に近づける。

次に、層Ｎｏ．２と層Ｎｏ．１のサーチコイル７の電圧をＡ／Ｄ変換器２１によりＡ／Ｄ変換して計算機１３でそれらの差を計算して層Ｎｏ．２での電圧を算出し、これを目標波形と比較し、その差分波形を層Ｎｏ．２用のＤ／Ａ変換器１４に与えてヨーク励磁コイル８に加える。この工程を繰り返して層Ｎｏ．２の磁束密度を目標に近づける。

層Ｎｏ．３以降についても同様の工程を繰り返す。

層Ｎｏ．５が終了した時点では、その他の層でまた目標波形との差が生じているため、また層Ｎｏ．１から再び上記の全工程を繰り返す。この工程を繰り返す間に全層の磁束密度が目標に近づいていき、必要な精度が得られた時点でこれらの工程を終了する。

全工程が終了した時点で主励磁コイル５の電流波形、主Ｂコイル６の電圧波形、ヨーク励磁コイル８の電流波形、ヨークＢコイル９の電圧波形が計算機１３に記憶されているので、これらのデータを用いることで鉄損などの磁気特性を得ることができる。

図４は、実施例の効果を示すグラフである。

本実施例の効果は、図４に示される層Ｎｏ．毎の磁束密度により示される。

まず、比較例として、積層された電磁鋼板の各層の全長をすべて等しくし、ヨークを１個しか用いない場合を一点鎖線で示す。ヨークと直接接触する層Ｎｏ．１の磁束密度が高く、層Ｎｏ．２以降の磁束密度は低下することが分かる。これは、磁束がヨークと直接接触しない層には浸透し難いためである。

次に、本発明に係る電磁鋼板積層体および５つのヨークを使用する本発明例を破線で示す。層間の差は減少しているものの、十分な平坦化はできていない。積層の表面に近いほど磁束密度が低下しているが、これは漏れ磁束の影響であると考えられる。

最後に、本発明に係る装置と方法を全て適用する本発明例を実線で示す。各層間の差は十分に減少し、積層方向の磁束密度分布の均一性を得られているため、磁束密度条件を実際の鉄心と同じにして評価することができる。

１ 本発明に係る評価装置
２ 電磁鋼板積層体
２ａ，２ｂ 電磁鋼板
２ｃ 電磁鋼板対
２ｄ 鉄心接合部
２−１，２−２ 段差部
３ 主コイル枠
４ ヨーク
５ 主励磁コイル
６ 主Ｂコイル
７ サーチコイル
８ ヨーク励磁コイル
９ ヨークＢコイル
１０ 発振器
１１ パワーアンプ
１２ シャント抵抗
１３ コンピュータ
１４ Ｄ／Ａ変換器
１５ パワーアンプ
１６ シャント抵抗
１７，１８ Ａ／Ｄ変換器
１８ Ａ／Ｄ変換器
１９，２０ Ａ／Ｄ変換器
２１ Ａ／Ｄ変換器

Claims (4)

1. それぞれの端面が突き合わされて一の方向に延在する２枚の電磁鋼板からなる電磁鋼板対が前記２枚の電磁鋼板の板厚方向に複数積層された電磁鋼板積層体の鉄心接合部の磁気特性の評価装置であって、
   前記電磁鋼板積層体は、前記複数の電磁鋼板対それぞれの前記一の方向への全長が前記電磁鋼板対の積層方向の一方から他方へ向けて段階的に相違することによって前記一の方向の両端側に形成される２つの段差部を有するとともに、
   前記鉄心接合部は、前記複数の電磁鋼板対それぞれにおける、前記一の方向についての前記２枚の電磁鋼板の突き合わせの位置が前記積層方向の一方から他方へ向けて相違することによって形成され、
   前記電磁鋼板積層体の前記鉄心接合部に巻き回されて配置される励磁コイルおよびＢコイルと、
   前記電磁鋼板積層体の前記段差部を構成する複数の前記電磁鋼板対にそれぞれ接触することにより該複数の前記電磁鋼板対それぞれとともに閉磁気回路を構成する複数のヨークと
   を備える、鉄心接合部の磁気特性の評価装置。
2. 前記段差部の各段それぞれの前記電磁鋼板対に巻き回されて装着された複数のサーチコイルと、前記複数のヨークそれぞれに巻き回されて装着された複数の励磁コイルおよびＢコイルとを備える、請求項１に記載された鉄心接合部の磁気特性の評価装置。
3. 請求項２に記載された評価装置を用いて前記電磁鋼板積層体の鉄心接合部の磁気特性を評価する方法であって、
   隣り合う２つの前記サーチコイルの間の電圧の差分から１層の電圧波形を求め、該電圧波形と目標電圧波形との差分に比例する電圧を、前記ヨークに巻き回した前記励磁コイルに与え、積層された各電磁鋼板対それぞれの磁束密度を目標波形に合致させる、鉄心接合部の磁気特性の評価方法。
4. 前記電磁鋼板積層体に巻き回されて装着された前記励磁コイルの電流と前記Ｂコイルの電圧、および前記ヨークに巻き回された前記励磁コイルの電流と前記Ｂコイルの電圧を用いて、前記電磁鋼板積層体の磁気特性を求める、請求項３に記載された鉄心接合部の磁気特性の評価方法。

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